足球机器人控制系统设计

1、安徽建筑工业学院毕业设计（论文）课题：足球机器人的控制系统设计专业： 机械设计制造及其自动化班 级：08 机械1班学生姓名：肖后昆学 号:学210010143指导教师：包2012 年6月1日摘要机器人足球和足球机器人是近几年在国际上迅速开展起来得高技术对抗活 动。本文以机器人世界杯为背景，采用数字信号处理器（DSP）作为核心芯片，研究足球机器人的控制系统设计以及相应的控制算法应用。通过研究足球机器人的 运动特性及控制，能为将来进一步探讨例如机器人路径规划、人工智能及多机器 人合作等研究打下基础。本文首先介绍了足球机器人的兴起， 足球机器人的现状及其意义。接着讨论 了足球机器人的体系结构，机器人

2、比赛的系统的组成，工作模式及系统结构，然 后简要介绍了足球机器人的比赛的要求， 并在最后讨论了控制的对象即我们设计 的足球机器人的机电系统结构，包括所选用的电机及其各种运动结构的设计。第三、四、五章是本文的核心部分，第三章讲述了关于机器人控制系统的 硬件电路设计。首先根据控制要求分析系统所需的硬件结构，然后针对每一部分 进行电路设计分析。第四章是关于控制系统的软件策略。 首先根据系统的控制求 介绍了软件控制的总体思想与机构， 然后分析机器人的动力学和运动学模型， 在 建立模型的基础上阐述算法的应用。第五章是关于足球机器人的决策子系统的体 系结构及其模型的建立。关键词：足球机器人、TMS320L

3、F2407、运动控制、建模、决策子系统ABSTRACTSoccer robots and RoboCup are the high technology activities in recent years that have attracted wide concerns among many countries. Based on RoboCup this paper deal with the design and research of control system of robot by using a new core CPU (DSP). The main concerns of

4、 this paper are soccer robots and I hope with the design of soccer robots, some research on their locomotive properties and control systems, this could build up solid foundation for further research in such areas as Mobile Robot Path Planning, Artificial Intelligence and Multi-Agent Collaborative Be

5、havior.Having introduced the rise of the soccer robot at first, current situation and meaning of the soccer robot. the impact of medium-sized group of robot competition system, the working model and system architecture, and then briefly introduced robot soccer competition requirements, and discussed

6、 in the final control of the object that we design the mechanical and electrical soccer robot system architecture, including the selection of the motor and the design of the structure of a wide variety of sports.Chapter three , four and five is mainly concerned. Chapter three is concenred with the h

7、ard ware design of control system. It firstly analyzes the hard ware structures and then there are detailed design and analysis on each structure. Chapter four deal with software strategies. Firstly it discusses he software structures according to the system requirements, and then it analyzes Dynami

8、c Model and Movement Model, It analyzes use of some control arithmetic.The fifth chapter is on the soccer robot decision-making subsystem architecture modelKey words: Soccer robot TMS320LF2407、Motion control > Modeling > Decision subsystem摘要2ABSTRACT 3第一章 绪论61.1 足球机器人的简介 61.1.1 RoboCup中型组足球机器人

9、研究现状 91.1.2 RoboCup中型组足球机器人研究意义 91.1.3 小结10第二章足球机器人的体系结构 102.1 机器人足球的系统原理组成 112.2 足球机器人的系统工作模式 132.3 足球机器人的系统结构组成 142.4 足球机器人的技术要求 152.5 足球机器人机电结构系统 617第三章 足球机器人控制系统硬件设计213.1 控制系统的硬件电路的组成结构7213.1.1 TMS320LF2407 的简介 223.1.2 基于TMS320LF2407的主控系统设计1"233.3 电机驱动电路设计 112253.3.1 直流电机调速控制原理 253.3.2 直流电机

10、驱动设计 团263.4 传感器电路设计71283.4.1 加速度传感器电路设计 283.4.2 近红外探测传感器的电路设计 831第四章 足球机器人的控制对象建模344.1 控制系统的具体要求 516 M344.2 足球机器人的动力学建模 8364.3 足球机器人的运动学建模 画39第五章中型足球机器人决策子系统分析与设计 435.1 决策子系统分析 435.1.1 决策子系统的任务 435.1.2 决策子系统的特点 455.2 决策子系统的体系结构 455.2.1 决策子系统模型 465.2.2 自上而下的分层递阶决策推理模型 47第六章总结与展望516.1 总结516.2 对今后工作的展望

11、 52参考文献53致明甘55附录一 英文科技文献翻译 56附录二毕业设计任务书 66第一章 绪论1.1 足球机器人的简介、起源机器人足球的最初想法由University of British Columbia, Canada 的 AlanMackworth教授于1992年正式提出他在On Seeing Robots 一文中以机器人足球为例，指出传统的机器人研究 中存在的不足：Definite Knowledge, Complete Knowledge, Static Environment,Deterministic World, Discrete Sequential Actions.为解决

12、这些不足，他和同事提出了一种新的机器人体系- SituatedAgents ,并实际设计了踢足球的机器人（见下图）。他们指出：1-1踢足球的机器人随后，众多学者和科技人员对机器人足球的可行性及技术问题进行了研究。在一些实验室或研究所之间也相继开展了小型的比赛。二、世界性比赛目前许多国家都开展了机器人足球比赛。在世界上比较有影响的比赛主要有两个：?FIRA （Federation of International Robot-soccer Association国际机器人足球联合会）?1995年，韩国的Jong-Hwan Kim 教授提出设想?1996年11月在韩国举行了第一届赛事?1997年正

13、式成立了 FIRA?RoboCup （The Robot World Cup Soccer Games and Conferences 机器人足 球世界杯赛及学术大会）?1993年，日本的 Minoru Asada等学者创办了 RoboCup?1997年8月，在日本举行了第一届 RoboCup赛事。三、机器人足球赛的主要类型及规则机器人足球有仿真赛和实物赛两种。仿真赛是在计算机上进行的虚拟比赛。由比赛举办方提供仿真平台，参赛双方用各自开发的程序控制“运动员”进行比赛。实物赛是由实际的机器人在指定的场地上进行的比赛，以下的分类都是对 实物赛而言的。从机器人的自主性方面看，有半自主型和全自主型。半

14、自主型机器人比赛中， 允许参赛方用一台主机对机器人进行集中控制； 全自主型中的机器人则是完全独 立的，机器人只能依靠自身的设备去获取信息、做出判断、配合队友及实施行 动。从机器人的行走方式看，有轮式和足式。轮式机器人靠轮子行走的，早期的 机器人足球都是这种型式的；足式机器人用脚行走，又可分为多足和两足机器人。 1999年，RoboCup首次开展四足机器人足球比赛。完全类似人的两足机器人足 球是机器人足球比赛的最高目标， 但其涉及较为复杂的技术，目前还只是在足球 赛上进行行走、避障碍、点球等表演，还不能真正进行足球比赛。发展至今，机器人足球比赛已经拥有一整套规范和规则，诸如对球场、球、 机器人的

15、尺寸规定，对角球、界外球、任意球、点球等的定义，对球员犯规的判 罚等。机器人足球比赛每个半场一般只有十几分钟。由于目前机器人的视觉系统主要依靠色彩信息对物体进行识别，所以球场内外各设备和器材的颜色都有比 较严格的规定，参赛双方的机器人也必须贴上醒目的颜色标识。主机与机器人或机器人与机器人之间靠无线电进行通讯，所以对无线电的使用也有相应规定。 四、机器人足球的相关技术机器人足球是一个综合性的项目，它涉及众多的传统理论和前沿技术。机器人制造本身就集合了结构工程、电子电路、精密机械、仿生材料等多种 技术，而计算机、自动控制、传感、无线通讯等技术则是机器人能够运动和踢球 所不可缺少的，多个机器人之间的

16、配合更是涉及比较复杂的关于多主体的协调、合作与策略等问题。五、机器人足球的意义和目标在第15届国际人工智能联合大会上，由 Kitano, Veloso和Tambe等来自美、 日、瑞典的9位国际著名或知名学者联合发表重要论文 "The RoboCup synthetic agent challenge 97",系统阐述了机器人足球的研究意义、目标、阶段设想、近 期主要内容和评价原则。概括的说，过去50年中人工智能研究的主要问题是“单 主体静态可预测环境中的问题求解”，其标准问题是国际象棋人-机对抗赛；未来50年中，人工智能的主要问题是“多主体动态不可预测环境中的问题求解”，其

17、标准问题是足球的机-机对抗赛和人-机对抗赛。由此可见机器人足球具有重要的意义。机器人足球是人工智能的新兴研究领域，是联系理论与应用的一个有效手 段。它以体育竞赛为载体，集中展示了各国高新科技的发展， 并且检验了参赛国 的技术水平，从而促进科技的发展和人才的培养。机器人足球的最终目标是建立仿人机器人足球队，让机器人像人一样踢足 球，甚至打败人类足球队。实现这一目标将是一个艰巨而漫长的过程。 六、中国机器人足球的发展情况目前机器人足球发展比较好的国家有欧美、日韩、澳大利亚等国家和地区。 中国在这方面虽然起步较晚，但近年来有较大的发展。2001年6月，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会成立，每年举办

18、包括RoboCup和FIRA两个项目在内的中国机器人足球比赛。1.2 Robocup中型组足球机器人在RoboCup中型组比赛中，机器人要求具有全自主行为，每个队员是一个 独立的主体，即感知、行为、决策、通讯等都由机器人自身完成，所有功能都集 中在机器人内部。RoboCup中型组足球机器人的结构从功能上可以分为四个子系统：感知系 统、决策系统、执行系统、通讯系统。感知系统通过传感器实时采集比赛信息，经处理得到敌方机器人、己方机器 人、球、球门的识别和定位信息。对应的信息送到决策系统，由决策系统根据比 赛场上情况和策略产生相应的控制指令；控制指令是指对执行系统电机的具体控 制命令，从而驱动电机的

19、运动。机器人可以通过无线通讯系统与其他机器人进行信息的交换。1.2.1 RoboCup中型组足球机器人研究现状我国对自主式足球机器人的研究起步较晚，多年以来，仅有上海交通大学、 中科院自动化所、同济大学等少数几个单位从事自主式足球机器人的研究。2003年以来，东北大学、华南理工大学等一批单位陆续开始参与这个项目的研究，近两年参赛队伍明显增加。2004年有9支队伍参加“广州理想杯”中国足球机器 人大赛中型组比赛，2005年8月参加“新科导航杯”中国机器人大赛中型组比 赛的队伍剧增到21支。在参赛队伍数量增多的同时，比赛的整体水平也在不断 提高。2004年之前，中国足球机器人大赛中型组只有1: 1

20、和2: 2两个比赛项目，2005年的比赛整体升级，设立了 2: 2和4: 4两个项目，同时为了与国际 接轨，比赛采用就是当年国际比赛的规则。客观地说，国内自主式足球机器人的研究水平和国外先进水平相比还是有较 大差距的，这既是压力也是动力，中国的足球机器人研究者正在加倍努力、 奋起 直追。我国在这个项目上的研究已呈现出蓬勃发展的趋势，相信在不久的将来， 一定会有中国的队伍在 RoboCu叶型组比赛中取得优异成绩。1.2.2 RoboCup中型组足球机器人研究意义RoboCup中型组足球机器人比赛是近几年国内外新兴的一个组别，它要求多 个机器人在完全自主的状态下完成控球，传球，配合，射门等动作，相

21、当于一个分 布式多智能体控制系统。其中需要解决的关键问题包括：图像采集以及信号处理、 路径规划、无线通讯、控制决策、多传感器信息融合等技术。因此 ，中型组机器 人足球比赛最具挑战性，也最能体现研究单位的科研实力。对智能足球机器人的 研究成果可广泛用于军事、民用等众多领域。1.3 论文的主要内容中型自主足球机器人赛在 Robdcup国际足球机器人世界杯具有重要地位,中 型自主足球机器人要求控制系统感应灵敏、响应速度准确、重量轻、体积小。本课题主要是研究设计一种Robocup中型足球机器人控制系统，着重从电路 设计方面提高其感应灵敏性，响应迅速性。1.4 本章小结足球机器人是人工智能的新兴领域，是

22、联系理论和实际应用的一个有效手 段，它以体育竞赛为载体，集中展示了各国高科技的发展，并且检验了参赛国的 技术水平，从而促进科技的发展和人才的培养。目前足球机器人发展比较好的国 家有欧美，日韩等，中国在这方面虽然起步比较晚，但今年来有较大的发展。世 界上比较有影响的比赛主要有两个 FIRA和RoboCup,其中RoboCup的最终目 标是建立仿人机器人足球队，让机器人像人一样踢足球，甚至打败人类足球队。 实现这一目标将是一个艰巨而漫长的过程。第二章足球机器人的体系结构足球机器人是机器人足球系统中的本体部分， 一切控制策略及算法最终都是 通过足球机器人来实现的。所以中型组足球机器人的本体设计对比赛

23、起了至关重 要的作用。不同的控制要求决定了不同机器人的结构设计和控制策略。所以本章首先讨论机器人足球赛中型组比赛的系统组成、工作模式及系统结构。然后简要足球机器人的比赛的要求。图2-1足球机器人比赛场景2.1机器人足球的系统原理组成RoboCu计型组比赛是由两支各有多个自主式足球机器人的球队在标准场地 进行的比赛，自主式足球机器人系统如图2-2所示，场上的每个机器人都具有完 全的自主能力，自身具有独立的传感器系统、决策系统以及执行机构，机器人将各自搜集到的信息同本队的其它自主机器人沟通，通过机器人本体或场外监控站 上数据融合得到所需的信息，然后根据这些信息进行决策，并执行相应的动作。场上鼠品场

24、上队员图2-2自主式足球机器人系统足球机器人系统分为下面几个部分:1 ）机器人小车子系统2 ）视觉子系统3 ）无线通讯子系统4 ）机器人控制子系统5 ）决策子系统上述五个子系统构成了大的闭环系统， 如图2-3所示。决策系统的指令通过 无线通讯系统发送给机器人小车系统，控制子系统根据指令控制机器人相应的运 动，再由视觉子系统采集场地信息，反馈给决策系统，完成闭环控制。下面分别简要介绍各部分的组成以及系统对各部分的设计要求。机器人小车子系统inin ii in lji in .ii ii. nif,|-u11| h.lIj .ii.ii-决策子系统.无线通讯子系统：1 I 控制子系统-1r:j_

25、二._ :. 一 ._ :j:. 一 口 . 1图2-3足球机器人系统组成原理图机器人小车子系统是比赛的本体部分，其性能的好坏直接关系到比赛的结果。 它设计的关键在于机器人的软硬件设计。视觉子系统是整个比赛的最终检测反馈机构，它扮演机器人的“眼睛”o它的主要任务是利用摄像头实时采集比赛场地上的图像信息，通过图像卡处理并且辨别这些图像，得到场地上运动物体（包括双方8个机器人和球）的相关数据，主 要是每个机器人的横坐标 X、纵坐标Y和其方向角度，并且将这些数据传给主机， 以供主机上的决策系统进行分析决策使用。无线通讯子系统的作用主要是完成决策指令的传输，将决策系统的结果发送 给各个机器人，使其执行

26、相关的动作。决策系统上接视觉子系统，下连通讯子系统，是整个智能系统的中心枢纽， 是系统的“大脑”，它主要功能是根据图像系统提供的一系列的场景信息与及各种传感器信息，对本方机器人的运动做出最佳的决策，同时将机器人的运动指令通过无线通讯系统传给机器人。它的优劣关系到机器人的智能化水平以及比赛的 成败。控制系统是决策系统和机器人本体之间的联接部分，它是机器人运动的核心 处理部分，如果决策系统是教练，那控制系统就是队员的本领，它的好坏关系到 机器人体现决策系统指令的好坏。它的作用就是根据一定的算法来解析决策系统 的指令将它转化为具体的机器人的运动指令，并且控制机器人实现相应运动。2.2 足球机器人的系

27、统工作模式明白了足球机器人的系统组成，对于我们来说，选择合适的硬件和软件系统 还得考虑机器人系统的整体工作模式。根据机器人的决策部分在整个系统的作用 位置，可以将足球机器人系统工作模式分为以下两种：(i)基于视觉的足球机器人系统(Vision-Based Mobile Robot System);(ii)基于机器人的足球机器人系统(Robot-Based Mobile Robot System),而根 据机器人智能程度，(i)又可以分为：基于视觉遥控的无智能足球机器人系统(Remote Brainless Vision-BasedMobile Robot System),简称遥控机器人；基于视

28、觉智能足球机器人系统 (Brain On-board Vision-Based Mobile Robot System);这样就可以得到三种足球机器人的系统工作模式：第一种基于视觉遥控的无智能足球机器人系统，它所有的视觉处理、策略决策和位置控制都在主机上完成，就像遥控小车一样。第二种基于视觉智能足球机器人系统，这个时候机器人本体具有速度控制、位置控制和自动避障等功能。主机仅通过视觉数据来进行决策处理， 然后发出命 令给各个机器人，机器人在根据命令做出行动反应，为了实现自动避障和速度控 制，机器人上面都装有红外、加速度等传感器。第三种基于机器人的足球机器人系统，这时足球机器人具有很多自主性，所有

29、的计算包括决策、控制都在机器人上面完成，而主机只处理视觉数据，然后将 有关信息传给机器人。这个时候视觉系统就类似于一种传感器不过，任何一种模式的机器人都应该具备一些基本模块：驱动模块、通讯模 块和CPU空制模块。不过采用的模式不同，其设计方案都不同而已。本文系统的 设计就是基于第二种模式（即基于视觉智能机器人系统）来设计的。2.3 足球机器人的系统结构组成有了前面的足球机器人系统的组成，而最终要实现整个系统的运行还要硬件 来实现。系统的硬件方面包括以下几个方面：足球机器人小车系统、无线通讯系 统、视觉系统和通讯系统。下面讨论一下系统的硬件组成，以方便后面控制平台 硬件系统的设计。1 .足球机器

30、人小车系统一般来说，足球机器人小车包括CPU真块、电机驱动模块、无线通讯接收模 块和传感器模块。而这除了无线通讯接收模块外都属于控制平台的硬件系统。运动电机通常都是单独驱动，大部分都采用轮式结构，也有采用履带结构的。为了得到足球机器人更好的运动特性， 我们采用的是四轮设计，可以实现全向运动的 全方位机器人。2 .无线通讯系统对机器人指令传送采用的是无线数字通讯。主机的信息经过RS-232由发射模块发送出去，而由机器人上面的接受模块接收数据。 在比赛规则中以不妨碍对 方的前提下，双方的频率大小不加以限制。采用的通讯模块是英国的Radiometrix, 它具有433MHZ/418 MHZ两个频段。

31、3 .视觉系统视觉系统主要由摄像头、图像采集卡等硬件设备和处理软件组成。在比赛中， 规定每方机器人采用黄色或者蓝色作为自己的队标，队标规定采用直径为40mm的圆，贴在机器人的上方的中央部分。而机器人的号码识别所采用的色彩不加以 限制。它的主要功能就是完成图像信息的采集与分析功能。4 .主机系统为了提高系统的计算速度，主机系统一般采用一台P4的计算机，不过也有的队伍采用双CPU勺计算机。主机的功能主要是处理经过处理的图像数据，得出球和队员的位置、方向和速度，根据比赛场上的攻守局势，做出决策，并且将数 据通过串口传给发射器。5 .4足球机器人的技术要求足球机器人小车在整个足球机器人系统中相当于执行

32、机构，但它的作用又不仅限与此。从比赛的角度来说。它是上场比赛的队员；从表演的角度来说，它又 是登台表演的演员。导演的创作艺术或者教练的战术意图最终都是通过机器人来 实现。所有机器人本体整体性能的好坏对整个系统都起着举足轻重的作用。设计机器人本体应该满足以下的技术要求：1 .大小要求RoboCup中型机器人组的场地大小相当于 9个兵乓球台，机器人的直径不超 过50cm,高度在30cm-80cm之间，每个队由4台机器人组成，采用橙色足球进 行对抗比赛。Jt*i ¥*。图2-4 RoboCup中型组比赛场地示意图中型组比赛场地是一个结构化、 彩色化的环境，如图2-4所示。结构化是指 场地上

33、的固定物体或标识都有比较规则的几何形状：球门由三个平面构成，角柱是一个圆柱体，场地标识线由直线、圆、圆弧构成。同样，彩色化指场地上的每 个物体都对应一种颜色或颜色的组合：球场底色为绿色，一方球门为蓝色，另一方为黄色，角柱中间三分之一为对方球门颜色、 场地标识线为白色，比赛用球为 橙红色的5号标准足球，机器人主体为黑色。2 .基本功能总体来讲，足球机器人应能准确接收主机指令并迅速做出反应，完成带球、 传球、拦截、射门、防守等技术动作。因此机器人应该具备了以下功能：无线信 号的接受、电机驱动及其调速、障碍识别与避障还有就是对机器人各部分功能的 控制以及上述功能的协同。3 .运动性能为适应激烈对抗的

34、比赛环境，机器人还应具备高度的机动性能和灵活性，能平稳快速的完成各种前进、后退、转向及急停等基本动作，且满足以下要求：1）前进后退：尽量走直线2 ）转向：转弯半径尽量小3 ）急停/碰撞：不能翻倒为满足上述要求，机器人要求总体质量轻，重心低，尽量处在机器人对称轴 线上，运动系统灵活、可靠，系统转动惯量小，连接部件牢固、防松，整体刚性 好，具备良好的撞击性能。4 .其它性能比赛中机器人之间的顶牛现象经常发生，所有要求机器人具有良好的坚固 性，一旦碰撞时，机器人不能变形，各种接插件不能松动，零部件不能脱落。同 时应该避免顶牛时候，电路元器件不能烧毁。由于比赛时候的工作环境毕竟恶劣， 有许多来自外面的

35、干扰，所以机器人的结构以及控制系统的设计都应该具有高可 靠性，在强干扰下不死机或者失控。对于足球机器人而己，可维护性是很重要的， 包括软件和硬件的维护，在硬件结构的设计方面，考虑便于安装测试和检修；软件设计上面要便于调试、纠错和升级。同时经济性也是在设计中必须考虑的问题。5 .5足球机器人机电结构系统6整个足球机器人硬件系统设计包括两个方面：控制系统设计和机电系统设 计。所有在进行机器人控制系统设计前， 必须对它的控制对象足球机器人的机电 系统设计阐述清楚，这样以便于后面的控制系统的选型和控制电路设计。机电系统设计包括控制电机选型及性能参数、 机器人底盘选型和设计，由于 机电系统的设计不是本文

36、的重点，所以这里概要阐述一下足球机器人的机电系统 的结构。机器人的运动离不开电机的选择， 对于移动小机器人的控制电机，均选用微 电机，具有直流电机和步进电机两种选择。 我们在充分考虑步进电机与直流电机 的优缺点的时候，最后选用的是调速性能优良、调速方便、平滑范围广的直流电机。根据电机转矩、功率损耗、转速和外形尺寸，经过我们的设计计算，最后我 们采用的是瑞士的Maxon电机。根据上面机器人设计要求，为了实现各种基本功能，所以我们设计的足球机 器人主体结构主要由机体、行走机构、带球机构、击球机构和各种传感器组成。 为了获得良好的机动性和灵活性，我们设计的足球机器人的行走机构采用的三轮 式驱动机构，

37、三个车轮互呈120°,分布在同一个圆周上面，如图2-6。每个车轮 分别由直流伺服电机（主动电机）、齿轮减速器、码盘和车轮等零部件组成，同时 每个车轮都采用全方位轮。全方位轮的机构是圆形大轮的圆周上密布小滚动轮 子，车轮可以沿周向和轴向两个方向作滚动运动。，这样无论直线移动，还是转弯，总以滚动代替滑动，大大减少摩擦力。采用这样的机构可以很方便地实现任 何方向地直线运动图2-6足球机器人的行走机构和全方位轮击球机构设计主要考虑蓄能和瞬间释放机构， 弹簧应为首选方案。已设计的 击球机构主要由电机，蜗杆，蜗轮，扇形齿轮，齿条击杆，压缩弹簧，击球板等 组成。其设计思路为：不击球时弹簧始终处于压

38、缩状态，击球时，控制信号让电 机转动，带动蜗杆蜗轮，与蜗轮共轴的扇形齿轮与齿条脱离啮合， 弹簧力推动击 杆击球，当扇形齿轮与齿条重新进入啮合， 击杆回收，当扇形齿轮转过一定的角 度时，击杆回收到位，控制信号让电机停转，依靠蜗杆蜗轮自锁性，保持击杆处 于回收状态。如图2-7。图2-7足球机器人的击球机构带球就是需要球和机器人粘在一起，机器人在比赛过程中往往需要带球运 行，寻找最佳射门点或传球点，所以带球机构是足球机器人中又一个不可缺少的 关键机构。机器人能够实现在前进， 转弯，后退等运行状态下带球是带球机构所 要达到的目标。根据 RoboCup比赛规则：机器人持球的时候，从上往下看必须 有80%

39、的球的面积在控球装置外面，所以不能采用抱球的机构。我们从运动学角度出发，利用相对运动关系设计了我们的带球机构，如图2-8。其关键设计思想为：机器人在前进，转弯，后退的运动中对球产生一个驱动力或力矩，使球产生 相应的运动，并使球始终保持与机器人在一起，为此运动过程中，需要两者速度 满足匹配关系。图2-8足球机器人的带球机构根据以上设计思路我们设计了由电机， 齿轮及带传动机构，滚轮，支架等组 成的带球机构。在机构设计中，关键是使球产生相对机器人运动结构， 用一个具 有一定弹性的滚轮与小球发生滚动式接触，靠摩擦力产生的转矩带动球在地面产 生朝向机器人的滚动。这里设计的重点是弹性滚轮与球之间的摩擦力以

40、及滚轮转 速，最终作用效果为球心的水平运动速度。除了击球、带球功能外，在机器人车体上同时安装了六路近距离红外传感器， 如图2-9所示。6是正前方传感器，4是正后方传感器，3, 5是另外两主运动方向 的传感器，1,2是击球和控球动作中找球传感器，位于机器人正前下方。目的就 是为了保证机器人的击球机构击球的准确性和带球机构能够顺利带球以及在运 动过程中实现自动避障。同时为了能够更好的控制机器人的运动，在机器人上面 安装加速度传感器，来实时检测系统的运动速度。图2-9足球机器人传感器6 .6本章小结本章主要对足球机器人的体系结构做了系统设计，主要包括以下内容：(1)足球机器人的系统原理组成，通过机器

41、人小车子系统、视觉子系统、无 线通讯子系统、机器人的控制子系统及决策子系统组成构成了大的闭环系统。(2)足球机器人的系统工作模式，根据机器人的决策部分在整个系统作用位 置来决定，本文设计的是用基于视觉智能机器人系统来设计的。(3)足球机器人控制系统总体结构分为两个：决策控制和运动控制。(4)足球机器人的系统结构组成包括无线通讯子系统、决策子系统、视觉子 系统、机器人车体子系统等组成。(5)机器人总体结构结构设计包括：尺寸限制、功能要求运动功能等(6)机电机构设计，驱动机构、带球机构、击球机构。第三章足球机器人控制系统硬件设计了解了足球机器人的体系结构，在分析完足球机器人的机电机构后， 现在来

42、进行控制系统的设计，它是本论文的核心部分。本章首先根据控制对象的控制要 求来分析系统所需要的硬件结构，然后针对每一部分进行详细的电路设计分析。3.1 控制系统的硬件电路的组成结构7】前面谈到了足球机器人的系统结构， 它主要包括CPU奠块、无线通讯接收模 块和传感器模块。但是在实际当中要实现以CPU电机驱动模块为核心的控制系统 设计时候，CPU真块每个模块都要进行相应的扩展，从而来实现具体的控制系统。CPU真块：cpu+寸钟复位电路+外围扩展电路等等；电机驱动模块：电机控制回路+电机驱动放大回路+电机反馈回路；无线通讯接收模块：无线通讯信号的接受+通讯的接口，主要是和核心CPUS 接部分；传感器

43、模块：红外传感器发送和接收电路 +加速度计电路；这样整个系统的硬件就由图2-2扩展为下图：图3-1硬件控制系统组成框图3.2 基于TMS320LF2407 的主控系统设计8团足球机器人性能的优劣除了由可靠、 有效的机械结构来保证外，它的主控系 统硬件电路是机器人动作的大脑， 而核心CPU乍为这个大脑的灵魂部分。它的选 择不仅决定了主控系统设计的性能，同时制约了其它系统的设计。目前， 足球机器人控制器大部分是采用8位或者16位单片机，甚至32位单片机作为微控制器，例如康奈尔采用 MOTOROLAMC68HC16日本采用HITAC心司的SH7043系列等单片机。由于目前的足球机器人车体多为三轮或四

44、轮，采用单片机对实现多电机 控制来说，其硬件设计存在结构相对复杂，算法控制实时性差等缺点，所以我们 采用美国TI（德州仪器）公司的TMS320LF2407儆控制器，2407 DSP控制器具有 丰富的外围接口，它将 DSP的高速控制能力和面向电机的高效控制能力集于一 体，使机器人控制系统外围电路的设计大大简化，而且算法控制的实时行提高， 使系统更为简单，稳定可靠。3.2.1 TMS320LF2407 的简介TMS320LF2407 DSP是美国TI公司推出的C2xxx系列产品，它是为了满足 大范围的数字电机控制应用而设计的。它具有实时运算，工作灵活，功耗低 （系 用3. 3V工作电压）等优点其基

45、本的特点如下：1）LF2407具有16位定点CPU内核，其运行速度为40MIPS,指令执行时间 为 25ns；2）整个程序和数据存储容量为 128K*16位 存储空间，其中32K*16位片上FLASH, 2.5k的片上数据存储空间，并具有 64k的I/O寻址空间；3）16路10位的片上A/D接口；4）丰富的电机控制接口：存在多路 PWM控制输出、正交解码接口、脉冲捕 获单元和3路定时器，满足实时电机控制要求；5）丰富的通讯接口： UART串行接口（SCI）、CAN总线标准接口，具有SPI同 步用行外设接口；6）具有片上安全监控功能：如看门狗，电源驱动保护等；7）丰富的I/O 口。TMS320L

46、F2407A丰富的片上资源：正交解码电路、串行通讯接口、多电机 PWM驱动接口、多定时/计数器、多路A/D、脉冲边缘捕获电路等，使其非常适 用于足球机器人控制系统实现的需要。而且由于DSP的高性能的运算能力，为采用复杂控制算法例如PID控制、自适应控制以及卡尔曼滤波等等提供了高可靠 性和可编程性，从而提高了电机控制的实时性和整个系统的性能。3.2.2 基于TMS320LF2407的主控系统设计1”上章己经阐述过我们研制的中型足球机器人的机电系统设计， 它是采用三主 动轮驱动结构，机器人运动的灵活性有了显著的提高。 同时也分析了足球机器人 所需要的各种功能结构，所以机器人主控系统要实现的具体功能

47、如下：3.2.3 个独立的主运动电机，使机器人具有运动功能；2）驱动两个独立的带球，击球电机，使机器人具有带球和击球的功能；3）六路近红外传感器检测，用以实现小车控制的近距离避障以及检测球是否 在机器人被控范围，从而提高击球的准确性；4）三路主电机的电流信号检测，从而实时完成电机的电流控制；5）加速度计传感器检测，用以计算机器人车体的加速度信息， 从而进行机器 人控制；6）与无线通讯系统接口，实现决策信息的接受；7）三主运动电机码盘信号的检测，实时完成电机速度控制。为了实现上述机器人的功能，采用2407A微处理器，扩展系统的程序和数据RAMgfJ为64K方便程序调试，同时外扩 64K的程序RO

48、M使系统有足够的程序 空间。主控系统硬件框图如下图 3-2所示。图3-2足球机器人主控系统硬件结构图由于需要检测机器人的三个主电机的码盘信号，而DSP内部只有两路正交解 码电路，因此必须基于 DSP#扩一组码盘信号检测电路。我们采用码盘接口芯片HCTL2000f DSPR口来实现第三路码盘信号的检测、 相、计数。由于HCTL20005片内部集成正交脉冲鉴向电路和信号四倍频电路， 内有12位加减可逆计数器，并且通过总线连接方式接口，其最大工作频率为14M Hz,从而使码盘信号检测方便、可靠实现。设计中通过采用GAL译码，将HCTL2000 芯片作为DSP的I/O 外设映射TMS320LF2407

49、A DSP I/O 空间的0X0000地址， DSP!过I/O操作指令访问I/O空间的0X000口地址，从而通过数据总线读取电 机码盘信号。HCTL2000T DSP的硬件连接示意图如图3-3所示。图中HCTL2000DSFP1过I/O 口 IOPF5置低来对HCTL2000J部计数器清零，DSP®取HCTL2000 内部计数器值时，首先使HCTL2000勺SEL为低电平（置IOPF6=0） HCTL200（rt部 12位计数器的低8位数据通过8位总线（BO-B7）,经74LVTH245 （3. 3V与5V） 总线隔离后直接通过DSP的数据总线得到，然后使 SEL为高电平（置IOPF

50、6=1）, HCTL200（W部12位计数器的高4位数据同样可以得到。码盘芯片复位后，当电 机正转时，HCTL2000勺计数值从0开始增计数，反转时从4096开始减计数。3.3电机驱动电路设计11画在设计好基于TMS320LF2407的主控系统后，控制系统就可以以它作为平 台从而实现接受指令、处理指令和输出指令的功能。电机是控制系统的输出端和 执行元件，所以电机驱动电路设计的好坏直接影响足球机器人的运动性能。下面来讨论电机的驱动控制原理、驱动放大电路和电机的速度位置检测回路。3.3.1 直流电机调速控制原理由于不同的电机类型有着不同的运动特性，所以采用的方法也往往不同。因为我们采用的是直流电机

51、作为驱动元件， 所以下面分析一下它的运动特性和控制 方法。1 .直流电机运动特性直流电机的运动转速n符合下列公式：UaTai Ran = Ce （rpm）（3-1）其中：Ua ：电枢电压（V）, %：电枢电流（A）, £ Ra ：表示电枢电路总 电阻（G）, Ce：电机结构有关的常数，弧 电极的磁通量（Wb）。2 .电机控制方式由上式（3-1）可得，直流电机转速n的控制方法有两种：励磁控制法和电枢 电压控制法。其中励磁控制法通过改变电极的磁通量 4来实现转速的控制，但 是这种控制方法在低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向转换器结构的限制，所以它的控制功率比较小， 同时由

52、于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以我们通常采用的控制方法是改变电枢电压的方法从而实现电机转速 的控制。假设电机的电枢端用联个电阻 R,接在直流电源的两端，其中直流电源的电 压为Ud ,所以Ua =Ud -IaR（3-2）显然通过改变电阻R就可以改变电机两端的电压，从而实现调速功能。但这 种传统的调速方法，效率比较低，所以随着电力电子技术的进步，发展了许多新 的电枢电压控制方法，其中应用最多的就是脉宽调制方法 （PWM）而传统的方法 也应用越来越少。PWM控制方法就是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲序列，通过控制电压脉冲序列的宽度或周期从而达到改变电压的目的，或者通过改

53、变电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技 术。PWM的调压比串联电阻调压功耗小，效率高。而且 PWM控制所需要的滤 波装置很小甚至只利用电枢的电感就己经足够了，从而不需要外加滤波装置，且电机的发热小，动态响应快。3.3.2直流电机驱动设计131 .主运动电机的驱动设计下面是我设计的主电机双向调速的驱动电路图。如下图（3-4）,设计中采用 4AM11作为电机驱动芯片，具体控制时候由 TMS3201f2407输出PWM&号和两个 方向信号，通过与门输入到驱动芯片 4AM 11,然后将驱动信号输出到电机的接 口端。由于主控芯片DSP是在3.3v下工作的，所以光电编码器产生

54、的码盘信号 通过前期处理将输入到TMS3201f2407从而形成速度检测环控制，至于码盘信号 的捕捉在上面已经介绍了。同时将电流检测信号AN2返回到主控芯片从而形成电 流环。cmHEADER+6图3-4 主运动电机双向调速驱动电路2 .带球、击球电机的驱动设计击球、带球的电机选择和主运动电机一样是采用 MAXON直流伺服电机，由 于它们应用的场合要求和主运动电机不同， 所以设计的具体电路也有所不同。 在 比赛中，带球电机需要实现带球跟着机器人运动， 所以带球电机只需要单方向运 动，同时对于速度的调节不作要求，而击球电机实现击球功能时候需要在击球机 构打出去的同时收回来，所以击球电机需要双向运动

55、，同时因为比赛的时候，传球力度和击球力度完全不一样，所以需要对速度进行调节，由于系统考虑还没有 完全实现传球功能，所以我们在设计的时候也省去了击球电机速度调节的设计。 图3-5是它的驱动电路原理图。为了使系统调试的方便，而且带球和击球要求差 别不多，所以在设计的时候将带球电机的驱动设计成和击球电机一样。 卜孑图3 3击球r带球电机双向驱窃电路 Uli3 .4传感器电路设计7由于足球机器人比赛是在高速对抗中进行， 它要求机器人的运动准确、快速、 灵活。所以需要机器人本体提供的辅助信息越多越详细越好，单纯依靠码盘、电流检测和视觉等形成的控制闭环信息还是太过于偏少。所以我在设计系统的时候 添加了加速

56、度传感器和近红外传感器，从而丰富机器人的控制信息。下面分别来 讨论加速度传感器和近红外探测传感器的工作原理及其电路系统设计方案。3.4.1加速度传感器电路设计14加速度传感器有很多种，在系统设计时候，我们采用的是美国 ADI公司的ADXL202fe速度芯片。选用ADXL202M有下列优点：首先它是集成在单片集成电 路上的一个完整的加速度测量系统。它采用了先进的多晶硅表面微加工技术，激 光微调薄膜电路等工艺，使用了温度稳定性较好的差动电容器做敏感元件，而且使得加速度计成为完整的标定了的内附参考并具有良好温度稳定性的加速度元件，无需要附加的任何有源器件既可以接到模数转换的输入端。它可以测量正负加速度。它的测量范围是士 2g,可以测量动态或静态的加速度，同时在测量的 时候可以保持比较高的精度要求。下图 3-7是它的内部结构：+3.0 TO +5.25VSELF TESTADXL2O2tXOUTTOUT图3-6 加速度计ADXL202勺内部图其中Xout,Yout为两个输出端口，输出的是X、Y两个方向的加速度。它所输 出的波形是一个方波，根据方波的脉宽比来求出加速度和方波的周期由下面的公 式确定：A(g) = (T1, T2 -0.5) .12.5%O(g) = 50%占空比T2 = Rset. 125M11 SEI输出信号的周期可以从0.5ms-10mse围里面，它主要由R